12 线程池原理

12.1 为什么要使用线程池

使用线程池主要有以下三个原因:
  1. 1.
    创建/销毁线程需要消耗系统资源,线程池可以复用已创建的线程
  2. 2.
    控制并发的数量。并发数量过多,可能会导致资源消耗过多,从而造成服务器崩溃。(主要原因)
  3. 3.
    可以对线程做统一管理

12.2 线程池的原理

Java中的线程池顶层接口是Executor接口,ThreadPoolExecutor是这个接口的实现类。
我们先看看ThreadPoolExecutor类。

12.2.1 ThreadPoolExecutor提供的构造方法

一共有四个构造方法:
// 五个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue)
// 六个参数的构造函数-1
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory)
// 六个参数的构造函数-2
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
RejectedExecutionHandler handler)
// 七个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler)
涉及到5~7个参数,我们先看看必须的5个参数是什么意思:
  • int corePoolSize:该线程池中核心线程数最大值
    核心线程:线程池中有两类线程,核心线程和非核心线程。核心线程默认情况下会一直存在于线程池中,即使这个核心线程什么都不干(铁饭碗),而非核心线程如果长时间的闲置,就会被销毁(临时工)。
  • int maximumPoolSize:该线程池中线程总数最大值
    该值等于核心线程数量 + 非核心线程数量。
  • long keepAliveTime非核心线程闲置超时时长
    非核心线程如果处于闲置状态超过该值,就会被销毁。如果设置allowCoreThreadTimeOut(true),则会也作用于核心线程。
  • TimeUnit unit:keepAliveTime的单位。
TimeUnit是一个枚举类型 ,包括以下属性:
NANOSECONDS : 1微毫秒 = 1微秒 / 1000 MICROSECONDS : 1微秒 = 1毫秒 / 1000 MILLISECONDS : 1毫秒 = 1秒 /1000 SECONDS : 秒 MINUTES : 分 HOURS : 小时 DAYS : 天
  • BlockingQueue workQueue:阻塞队列,维护着等待执行的Runnable任务对象
    常用的几个阻塞队列:
    1. 1.
      LinkedBlockingQueue
      链式阻塞队列,底层数据结构是链表,默认大小是Integer.MAX_VALUE,也可以指定大小。
    2. 2.
      ArrayBlockingQueue
      数组阻塞队列,底层数据结构是数组,需要指定队列的大小。
    3. 3.
      SynchronousQueue
      同步队列,内部容量为0,每个put操作必须等待一个take操作,反之亦然。
    4. 4.
      DelayQueue
      延迟队列,该队列中的元素只有当其指定的延迟时间到了,才能够从队列中获取到该元素 。
我们将在下一章中重点介绍各种阻塞队列
好了,介绍完5个必须的参数之后,还有两个非必须的参数。
  • ThreadFactory threadFactory
    创建线程的工厂 ,用于批量创建线程,统一在创建线程时设置一些参数,如是否守护线程、线程的优先级等。如果不指定,会新建一个默认的线程工厂。
static class DefaultThreadFactory implements ThreadFactory {
// 省略属性
// 构造函数
DefaultThreadFactory() {
SecurityManager s = System.getSecurityManager();
group = (s != null) ? s.getThreadGroup() :
Thread.currentThread().getThreadGroup();
namePrefix = "pool-" +
poolNumber.getAndIncrement() +
"-thread-";
}
// 省略
}
  • RejectedExecutionHandler handler
    拒绝处理策略,线程数量大于最大线程数就会采用拒绝处理策略,四种拒绝处理的策略为 :
    1. 1.
      ThreadPoolExecutor.AbortPolicy默认拒绝处理策略,丢弃任务并抛出RejectedExecutionException异常。
    2. 2.
      ThreadPoolExecutor.DiscardPolicy:丢弃新来的任务,但是不抛出异常。
    3. 3.
      ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy:丢弃队列头部(最旧的)的任务,然后重新尝试执行程序(如果再次失败,重复此过程)。
    4. 4.
      ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy:由调用线程处理该任务。

12.2.2 ThreadPoolExecutor的策略

线程池本身有一个调度线程,这个线程就是用于管理布控整个线程池里的各种任务和事务,例如创建线程、销毁线程、任务队列管理、线程队列管理等等。
故线程池也有自己的状态。ThreadPoolExecutor类中定义了一个volatile int变量runState来表示线程池的状态 ,分别为RUNNING、SHURDOWN、STOP、TIDYING 、TERMINATED。
  • 线程池创建后处于RUNNING状态。
  • 调用shutdown()方法后处于SHUTDOWN状态,线程池不能接受新的任务,清除一些空闲worker,会等待阻塞队列的任务完成。
  • 调用shutdownNow()方法后处于STOP状态,线程池不能接受新的任务,中断所有线程,阻塞队列中没有被执行的任务全部丢弃。此时,poolsize=0,阻塞队列的size也为0。
  • 当所有的任务已终止,ctl记录的”任务数量”为0,线程池会变为TIDYING状态。接着会执行terminated()函数。
    ThreadPoolExecutor中有一个控制状态的属性叫ctl,它是一个AtomicInteger类型的变量。
  • 线程池处在TIDYING状态时,执行完terminated()方法之后,就会由 TIDYING -> TERMINATED, 线程池被设置为TERMINATED状态。

12.2.3 线程池主要的任务处理流程

处理任务的核心方法是execute,我们看看 JDK 1.8 源码中ThreadPoolExecutor是如何处理线程任务的:
// JDK 1.8
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// 1.当前线程数小于corePoolSize,则调用addWorker创建核心线程执行任务
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 2.如果不小于corePoolSize,则将任务添加到workQueue队列。
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
// 2.1 如果isRunning返回false(状态检查),则remove这个任务,然后执行拒绝策略。
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 2.2 线程池处于running状态,但是没有线程,则创建线程
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 3.如果放入workQueue失败,则创建非核心线程执行任务,
// 如果这时创建非核心线程失败(当前线程总数不小于maximumPoolSize时),就会执行拒绝策略。
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
ctl.get()是获取线程池状态,用int类型表示。第二步中,入队前进行了一次isRunning判断,入队之后,又进行了一次isRunning判断。
为什么要二次检查线程池的状态?
在多线程的环境下,线程池的状态是时刻发生变化的。很有可能刚获取线程池状态后线程池状态就改变了。判断是否将command加入workqueue是线程池之前的状态。倘若没有二次检查,万一线程池处于非RUNNING状态(在多线程环境下很有可能发生),那么command永远不会执行。
总结一下处理流程
  1. 1.
    线程总数量 < corePoolSize,无论线程是否空闲,都会新建一个核心线程执行任务(让核心线程数量快速达到corePoolSize,在核心线程数量 < corePoolSize时)。注意,这一步需要获得全局锁。
  2. 2.
    线程总数量 >= corePoolSize时,新来的线程任务会进入任务队列中等待,然后空闲的核心线程会依次去缓存队列中取任务来执行(体现了线程复用)。
  3. 3.
    当缓存队列满了,说明这个时候任务已经多到爆棚,需要一些“临时工”来执行这些任务了。于是会创建非核心线程去执行这个任务。注意,这一步需要获得全局锁。
  4. 4.
    缓存队列满了, 且总线程数达到了maximumPoolSize,则会采取上面提到的拒绝策略进行处理。
整个过程如图所示:

12.2.4 ThreadPoolExecutor如何做到线程复用的?

我们知道,一个线程在创建的时候会指定一个线程任务,当执行完这个线程任务之后,线程自动销毁。但是线程池却可以复用线程,即一个线程执行完线程任务后不销毁,继续执行另外的线程任务。那么,线程池如何做到线程复用呢?
原来,ThreadPoolExecutor在创建线程时,会将线程封装成工作线程worker,并放入工作线程组中,然后这个worker反复从阻塞队列中拿任务去执行。话不多说,我们继续看看源码(一定要仔细看,前后有联系)
这里的addWorker方法是在上面提到的execute方法里面调用的,先看看上半部分:
// ThreadPoolExecutor.addWorker方法源码上半部分
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
// 1.如果core是ture,证明需要创建的线程为核心线程,则先判断当前线程是否大于核心线程
// 如果core是false,证明需要创建的是非核心线程,则先判断当前线程数是否大于总线程数
// 如果不小于,则返回false
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
c = ctl.get(); // Re-read ctl
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
上半部分主要是判断线程数量是否超出阈值,超过了就返回false。我们继续看下半部分:
// ThreadPoolExecutor.addWorker方法源码下半部分
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 1.创建一个worker对象
w = new Worker(firstTask);
// 2.实例化一个Thread对象
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
// 3.线程池全局锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
// 4.启动这个线程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
创建worker对象,并初始化一个Thread对象,然后启动这个线程对象。
我们接着看看Worker类,仅展示部分源码:
// Worker类部分源码
private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer implements Runnable{
final Thread thread;
Runnable firstTask;
Worker(Runnable firstTask) {
setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
this.firstTask = firstTask;
this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
}
public void run() {
runWorker(this);
}
//其余代码略...
}
Worker类实现了Runnable接口,所以Worker也是一个线程任务。在构造方法中,创建了一个线程,线程的任务就是自己。故addWorker方法调用addWorker方法源码下半部分中的第4步t.start,会触发Worker类的run方法被JVM调用。
我们再看看runWorker的逻辑:
// Worker.runWorker方法源代码
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
// 1.线程启动之后,通过unlock方法释放锁
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 2.Worker执行firstTask或从workQueue中获取任务,如果getTask方法不返回null,循环不退出
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
// 2.1进行加锁操作,保证thread不被其他线程中断(除非线程池被中断)
w.lock();
// If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
// if not, ensure thread is not interrupted. This
// requires a recheck in second case to deal with
// shutdownNow race while clearing interrupt
// 2.2检查线程池状态,倘若线程池处于中断状态,当前线程将中断。
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 2.3执行beforeExecute
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 2.4执行任务
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 2.5执行afterExecute方法
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
// 2.6解锁操作
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
首先去执行创建这个worker时就有的任务,当执行完这个任务后,worker的生命周期并没有结束,在while循环中,worker会不断地调用getTask方法从阻塞队列中获取任务然后调用task.run()执行任务,从而达到复用线程的目的。只要getTask方法不返回null,此线程就不会退出。
当然,核心线程池中创建的线程想要拿到阻塞队列中的任务,先要判断线程池的状态,如果STOP或者TERMINATED,返回null
最后看看getTask方法的实现:
// Worker.getTask方法源码
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
// 1.allowCoreThreadTimeOut变量默认是false,核心线程即使空闲也不会被销毁
// 如果为true,核心线程在keepAliveTime内仍空闲则会被销毁。
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
// 2.如果运行线程数超过了最大线程数,但是缓存队列已经空了,这时递减worker数量。
     // 如果有设置允许线程超时或者线程数量超过了核心线程数量,
// 并且线程在规定时间内均未poll到任务且队列为空则递减worker数量
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
// 3.如果timed为true(想想哪些情况下timed为true),则会调用workQueue的poll方法获取任务.
// 超时时间是keepAliveTime。如果超过keepAliveTime时长,
// poll返回了null,上边提到的while循序就会退出,线程也就执行完了。
// 如果timed为false(allowCoreThreadTimeOut为falsefalse
// 且wc > corePoolSize为false),则会调用workQueue的take方法阻塞在当前。
// 队列中有任务加入时,线程被唤醒,take方法返回任务,并执行。
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
核心线程的会一直卡在workQueue.take方法,被阻塞并挂起,不会占用CPU资源,直到拿到Runnable 然后返回(当然如果allowCoreThreadTimeOut设置为true,那么核心线程就会去调用poll方法,因为poll可能会返回null,所以这时候核心线程满足超时条件也会被销毁)。
非核心线程会workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) ,如果超时还没有拿到,下一次循环判断compareAndDecrementWorkerCount就会返回null,Worker对象的run()方法循环体的判断为null,任务结束,然后线程被系统回收 。
源码解析完毕,你理解的源码是否和图中的处理流程一致?如果不一致,那么就多看两遍吧,加油。

12.3 四种常见的线程池

Executors类中提供的几个静态方法来创建线程池。大家到了这一步,如果看懂了前面讲的ThreadPoolExecutor构造方法中各种参数的意义,那么一看到Executors类中提供的线程池的源码就应该知道这个线程池是干嘛的。

12.3.1 newCachedThreadPool

public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
60L, TimeUnit.SECONDS,
new SynchronousQueue<Runnable>());
}
CacheThreadPool运行流程如下:
  1. 1.
    提交任务进线程池。
  2. 2.
    因为corePoolSize为0的关系,不创建核心线程,线程池最大为Integer.MAX_VALUE。
  3. 3.
    尝试将任务添加到SynchronousQueue队列。
  4. 4.
    如果SynchronousQueue入列成功,等待被当前运行的线程空闲后拉取执行。如果当前没有空闲线程,那么就创建一个非核心线程,然后从SynchronousQueue拉取任务并在当前线程执行。
  5. 5.
    如果SynchronousQueue已有任务在等待,入列操作将会阻塞。
当需要执行很多短时间的任务时,CacheThreadPool的线程复用率比较高, 会显著的提高性能。而且线程60s后会回收,意味着即使没有任务进来,CacheThreadPool并不会占用很多资源。

12.3.2 newFixedThreadPool

public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
}
核心线程数量和总线程数量相等,都是传入的参数nThreads,所以只能创建核心线程,不能创建非核心线程。因为LinkedBlockingQueue的默认大小是Integer.MAX_VALUE,故如果核心线程空闲,则交给核心线程处理;如果核心线程不空闲,则入列等待,直到核心线程空闲。
与CachedThreadPool的区别
  • 因为 corePoolSize == maximumPoolSize ,所以FixedThreadPool只会创建核心线程。 而CachedThreadPool因为corePoolSize=0,所以只会创建非核心线程。
  • 在 getTask() 方法,如果队列里没有任务可取,线程会一直阻塞在 LinkedBlockingQueue.take() ,线程不会被回收。 CachedThreadPool会在60s后收回。
  • 由于线程不会被回收,会一直卡在阻塞,所以没有任务的情况下, FixedThreadPool占用资源更多
  • 都几乎不会触发拒绝策略,但是原理不同。FixedThreadPool是因为阻塞队列可以很大(最大为Integer最大值),故几乎不会触发拒绝策略;CachedThreadPool是因为线程池很大(最大为Integer最大值),几乎不会导致线程数量大于最大线程数,故几乎不会触发拒绝策略。

12.3.3 newSingleThreadExecutor

public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
return new FinalizableDelegatedExecutorService
(new ThreadPoolExecutor(1, 1,
0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
}
有且仅有一个核心线程( corePoolSize == maximumPoolSize=1),使用了LinkedBlockingQueue(容量很大),所以,不会创建非核心线程。所有任务按照先来先执行的顺序执行。如果这个唯一的线程不空闲,那么新来的任务会存储在任务队列里等待执行。

12.3.4 newScheduledThreadPool

创建一个定长线程池,支持定时及周期性任务执行。
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize) {
return new ScheduledThreadPoolExecutor(corePoolSize);
}
//ScheduledThreadPoolExecutor():
public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
new DelayedWorkQueue());
}
四种常见的线程池基本够我们使用了,但是《阿里把把开发手册》不建议我们直接使用Executors类中的线程池,而是通过ThreadPoolExecutor的方式,这样的处理方式让写的同学需要更加明确线程池的运行规则,规避资源耗尽的风险。
但如果你及团队本身对线程池非常熟悉,又确定业务规模不会大到资源耗尽的程度(比如线程数量或任务队列长度可能达到Integer.MAX_VALUE)时,其实是可以使用JDK提供的这几个接口的,它能让我们的代码具有更强的可读性。
参考资料
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12.1 为什么要使用线程池
12.2 线程池的原理
12.2.1 ThreadPoolExecutor提供的构造方法
12.2.2 ThreadPoolExecutor的策略
12.2.3 线程池主要的任务处理流程
12.2.4 ThreadPoolExecutor如何做到线程复用的?
12.3 四种常见的线程池
12.3.1 newCachedThreadPool
12.3.2 newFixedThreadPool
12.3.3 newSingleThreadExecutor
12.3.4 newScheduledThreadPool